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《高地应力下深埋隧洞开挖岩爆数值模拟与预测》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、http://www.paper.edu.cn1高地应力下深埋隧洞开挖岩爆数值模拟与预测陈文亮，章青，刘仲秋河海大学工程力学系，南京（210098)E-mail：cwl9898@qq.com摘要：结合锦屏二级水电站辅助洞工程,通过三维弹塑性有限元数值模拟,分析隧洞掌子面推进过程中的围岩空间应力场状态和演化趋势；基于数值模拟结果选用4种不同的岩爆预测方法，对开挖过程中岩爆的发生情况进行了预测，判定在洞肩和洞底角点处发生岩爆可能性较大，这与锦屏二级水电站辅助洞岩爆实际发生情况基本一致。关键词：深埋隧洞；数值
2、模拟；应力场；岩爆；预测1.引言岩爆是高应力区进行地下开挖时,由于破坏了岩体的力学平衡,围岩中产生了应力集中而[1]使岩体产生脆性破坏并伴随能量释放的动力失稳现象。有关统计资料表明,岩爆多发生在强度高、厚度大的坚硬岩(煤)层中,一般而言，随着埋深的增加岩爆发生的机会将越来越大,所以在深层开挖中研究岩爆显得尤为重要。近几十年来,国内外采矿界和岩体工程界的专家、学者对岩爆机理、岩爆预测以及岩爆[2~6]防治诸方面进行了大量的研究,取得了一定成果。在岩爆机理方面除了传统的强度理论、[7][8]刚度理论、岩爆倾
3、向理论等外，近年来谢和平采用分形理论、潘岳等采用突变理论来解释岩爆现象。在岩爆预测方法方面根据不同的岩爆机理理论，可得出不同的判据，主要分为应力判据，岩性判据，能量判据，临界深度判据等。但由于岩爆是极为复杂的动力失稳现象,岩爆的机理到目前为止还不很清楚,利用传统的岩爆分析方法来预测岩爆遇到了极大的困难，在这种情况下,人工智能、专家系统、神经网络在岩爆预测中得到了很好的运用，如冯[9]夏庭等提出的基于支持向量机的预测方法为岩爆预测提供了一条十分有效的途径。在深埋隧洞开挖过程中,因开挖卸荷引起隧洞周边围岩应
4、力场的扰动和重分布,导致围岩应力值和方向发生变化。而在影响范围之外,岩体应力维持初始地应力状态。在高地应力区,岩体强度高,储存的弹性应变能大,由于应力场的变化造成高强度脆性岩石内部破裂,引起弹性应变能的突然释放,容易引起岩爆。锦屏二级水电站辅助洞属深埋高地应力围岩隧洞，隧洞穿越大理岩、灰岩、砂岩等硬质岩层，掘进过程中有轻微到中等的岩爆发生。本文结合锦屏二级水电站辅助洞工程，通过三维弹塑性有限元数值模拟，分析隧洞掌子面推进过程中周边围岩空间应力场状态和演化趋势及岩爆发生情况。在岩爆预测方法上选用了四种不同
5、的预测方法，除传统的应力强度比判据外，还把基于可释放能量的岩体整体破坏准则应用到岩爆预测中，预测结果对工程实践具有一定的参考指导价值。2．数值分析模型三维数值分析模型根据锦屏二级水电站辅助洞隧洞的结构特征和工程地质条件建立，选用岩爆高发的Ⅱ类围岩建立计算模型，隧洞的断面形状为“直墙+半圆形”，断面大小为5.5m×5.7m，选取的计算区域为60m×60m×36m，如图1所示。洞室开挖采用全断面开挖，一次进尺4.0m，分9步开挖完成，计算模型在顶面作为应力边界，施加由拟合求得的竖直地应力，其它边界施加法向位
6、移约束条件，沿隧道轴线和垂直轴线的水平地应力通过侧压力-1-http://www.paper.edu.cn系数k和k施加。计算中采用对Mohr-Coulomb屈服准则按面积等效进行修正的xyDrucker-Prager相关联屈服准则：23sinϕ63ccosϕJ+αI−K=0，α=，K=（1）212223π(9−sinϕ)23π(9−sinϕ)式中：I1，J2分别为应力张量的第一不变量和应力偏量的第二不变量；α，K均为和材料的粘聚力c和内摩擦角φ有关的参数。−3计算中的材料参数为：弹性模量为35GPa，
7、密度为27kgm⋅，泊松比为0.18，粘聚o力为1.1MPa，内摩擦角为52。图1模型示意图3．数值分析结果及岩爆预测3.1基于应力强度比判据的岩爆预测国内外学者多将有限元计算断面洞壁切向应力σ和岩石单轴抗压强度R之比值作为θb[10]岩爆判据，称之为应力强度比判据。研究结果表明：无岩爆活动洞段σ/R<0.3，轻θb微岩爆活动段σ/R介于0.3~0.5之间，中等岩爆洞段σ/R介于0.5~0.7之间，发生强烈岩θbθb爆活动时，σ/R比值至少大于0.7。应力强度理论是岩爆机制静力学解释的两大理论之一，θb
8、在此理论基础上建立的应力强度比岩爆预测判据在国内外得到广泛的应用，国内的天生桥及二郎山隧洞利用此理论成功的对岩爆进行了预测。-2-http://www.paper.edu.cn图2切向应力σ分布θ图2为切向应力σ分布，由图2知σ在角点处和洞肩处比较大，分别为98.66MPa和θθ79.1MPa,而岩石单轴抗压强度R为90MPa，则在角点处σ/R=1.1，在洞肩处bθbσ/R=0.88，根据应力强度比判据此两处有可能发生强烈岩爆。θb3.2基
